新发现！材料硬度决定断裂方式

材料牛注：科学家从一个新的方向对材料断裂进行了研究，发现了一种新的材料断裂机理，这可能是一个让我们制造出新型抗断裂材料的机会。

最新研究表明，科学家们最终可以用一种可行的方式创造出一种抗破碎和断裂的材料。通过模拟和对所谓超材料的人造结构进行研究，科学家们发现它们可以通过调整材料的基础硬度不断克服材料失效问题。这一研究发表在Proceedings of the National Academy of Sciences，研究人员通过实验和计算机模拟探索了材料硬度变化的影响。

芝加哥大学的物理学教授，论文的共同作者Sidney R. Nagel说：“这项研究表明，这是一个可以在确定材料失效机理研究领域进行探索和利用的焦点。虽然在这点上只是猜测，但是这项工作可以采用更好的材料制造方式来抵御灾难性失败造成的影响。”

研究表明，当一个固体硬度接近某一确定值时，它的失效行为会发生完全不同变化，材料的自然破碎与高硬度或低硬度情况下的破碎完全不同。用系统的方法研究和控制这种现象将使科学家们更好地了解物质是如何破碎的。

当系统呈刚性，比如窗户玻璃，它的连接是致密的，并且有新的、狭窄和相对直的裂缝穿插其中。但是当系统呈松软的低刚性，它有更少的致密相，这些致密相的第一次破裂看似在整个材料随机的地方产生。最终有很多的联接断裂，这些断裂带以不规则的模式连接在一起，导致材料断裂。

研究人员还发现，当材料变得更加柔软时，它的失效区会变宽，这为科学家们了解失效机理提供了一个更广阔的视野。与在微观尺度上进行材料研究不同，研究人员可以降低材料刚度，在本质上阻止失效区域产生。

荷兰莱顿大学洛仑兹研究所的物理学家，项目合作者Vincenzo Vitelli表示：“降低材料的刚度，在某种意义上就像拿着放大镜，可以让你放大裂纹宽度，即使是微小的尺寸也可以变得和样本尺寸一样大。”

熟悉这项研究的科学家们表示，这项研究为材料失效机理提供了一个更宽泛的解释，开辟了包括破碎机理和失效控制在内的新的研究领域。

伊利诺伊大学香槟分校的物理学教授Karin Dahmen说：“研究人员将小裂缝造成的断裂和大裂缝造成的断裂放在一张底片上，说明它们产生的不同条件：一种是刚性材料，另一种是低硬度材料。”当然他没有参与项目研究。

“这项研究将引发许多后续研究，因为它提供给了我们一种在许多不同材料空间范围内对断裂的控制和强有力的理论解释。”

康奈尔大学的物理学教授James Sethna也同意这个观点。他说：“一个系统的理论可以让我们通过裂纹、应力和弯曲来预测材料损伤，最重要的是，当我们制造材料时，所有这些因素都是牵一发而动全身的。”Sethna也没有参与项目研究。“完美的、系统的方法可以避免实验和失误。”

原文链接：How stuff breaks depends on if it’s rigid or floppy

文献链接：The role of rigidity in controlling material failure

本文由编辑部刘万春提供素材，宋金磊编译，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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